DE102017008773A1 - Cooling process for process control for evaporators - Google Patents
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Abstract
Um eine Komponente aus einem Medium (einem Lösungsgemisch) mit anderen Bestandteilen zu trennen, kann eine Verdampfer-Anordnung genutzt werden, bei der eine Komponente aus der flüssigen Form in die Gasphase übergeht, während andere Bestandsteile im Medium zurückbleiben. Dafür müssen die Parameter Druck und die Temperatur, die einen Verdampfungsprozess im Wesentlichen bestimmen, geeignet eingestellt und/oder geregelt werden und der entstehende Dampf muss abgekühlt werden, damit dieser kondensieren und das Kondensat aufgefangen werden kann.Bei im Stand der Technik vorhandenen Verdampfern steigt der Dampf von unten her in einen Kühlbereich auf, in dem eine Kühlschlange, durch die ein Kühlmittel strömt, für die Kühlung sorgen soll, der aber auch zu einem Unterdruckbereich (Vakuum) gehört, in den der Dampf passiv einströmt, so dass etwas überspitzt ausgedrückt versucht wird, ein Vakuum zu kühlen.Indem der Dampf in umgekehrter Richtung (von oben nach unten) und durch funktionell getauschte Bereiche geleitet wird, so dass der Dampf jetzt durch das Innere der Kühlschlange geleitet wird (in dem zuvor Kühlmittel geflossen ist) und das Kühlmittel jetzt im Außenraum die Kühlschlange umspült (der zuvor zum Vakuumbereich gehörte), kann die Kühlung des Damps effizienter gestaltet und die Destillatgewinnung beschleunigt werden.Verbesserter und effizienter Verdampfungsprozess für viele Verdampfer-Anordnungen z.B. für Rotationsverdampfer mit einer verbesserten Destillatsbildung.In order to separate a component from a medium (a solution mixture) with other components, an evaporator arrangement can be used in which a component of the liquid form is transferred to the gas phase, while other components remain in the medium. For this, the parameters of pressure and temperature, which essentially determine an evaporation process, must be suitably adjusted and / or regulated, and the resulting vapor must be cooled so that it can condense and the condensate can be collected. In evaporators existing in the prior art, this increases Steam from below into a cooling area in which a cooling coil, through which a coolant flows, should provide for the cooling, but which also belongs to a vacuum region (vacuum), in which the passively flows in steam, so that tries slightly exaggerated By passing the steam in the reverse direction (from top to bottom) and through functionally switched areas so that the steam is now passed through the interior of the cooling coil (in which coolant has previously flowed) and the coolant now in the outer space the cooling coil lingers (which previously belonged to the vacuum area), the Küh Damping made more efficient and the distillate recovery are accelerated. Improved and efficient evaporation process for many evaporator arrangements, for. for rotary evaporators with improved distillate formation.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Abtrennen von mindestens einer flüssigen Komponente aus einem Medium (z.B. ein Lösungsgemisch) und/oder zum Reinigen oder Konzentrieren einer Flüssigkeit, in der andere Komponenten (z.B. Lösungsmittel) enthalten sind oder zur Rückgewinnung von flüssigen Komponenten, die beim Trocknen und/oder Konzentrieren fester oder flüssiger Bestandteile entweichen oder die in einer flüssigen Komponente gelöst oder emulgiert sind.The invention relates to a method for separating at least one liquid component from a medium (for example a mixed solution) and / or for purifying or concentrating a liquid in which other components (eg solvents) are contained or for the recovery of liquid components when drying and / or concentrating solid or liquid components escape or are dissolved or emulsified in a liquid component.
Indem zunächst durch Verdampfen von mindestens einer Komponente diese von anderen Bestandteilen des Mediums getrennt wird, während die anderen Bestandteile im Medium zurückbleiben, kann nach einer Abkühlung des Dampfes in einem, vom Verdampfungsraum (oder Trocknungsraums) getrennt liegenden Kühlbereich, diese Komponente in flüssiger Form wiedergewonnen werden.By first separating at least one component from other constituents of the medium by evaporating at least one component, while the other components remain in the medium, after cooling the steam in a cooling zone separate from the evaporation space (or drying space), this component can be recovered in liquid form become.
In diesem Zusammenhang bezieht sich die Erfindung insbesondere auf ein Verfahren und eine Anordnung zur Kühlung für dampfförmige Medien, die bei einer solchen Verdampfung entstehen.In this context, the invention relates in particular to a method and an arrangement for cooling for vaporous media which arise during such evaporation.
Um die Prozessparameter für die Ausführung einer Verdampfung an der Oberfläche des Mediums (dem eigentlichen Prozessort) einstellen und/oder regeln zu können, bestehen technische Verdampfungsanordnungen der hier im Fokus stehenden Verdampfer im Allgemeinen (i.a.) aus
- - einem Verdampfungsgefäß mit einen Verdampfungsraum, in den das zu verdampfende Medium eingebracht wird,
- - mindestens einer Möglichkeit, im Verdampfungsgefäß die Druckdifferenz zwischen dem Inneren des Mediums und dem Gasdruck über dem Medium einzustellen (Einstellung des Drucks),
- - mindestens einer Möglichkeit, das Medium auf eine Prozesstemperatur zu erwärmen (Einstellung der Temperatur),
- - meist einer Möglichkeit, das Medium während des Verdampfens zu rühren,
- - notwendigerweise einer Möglichkeit, den bei der Verdampfung entstehenden Dampf vom Ort der Entstehung abzutransportieren,
- - in einen Bereich, in dem die Möglichkeit besteht, diesen Dampf zwecks Kondensation zu kühlen und
- - das so entstehende Destillat als Produkt der Verdampfung aufzufangen,
- an evaporation vessel having an evaporation space into which the medium to be evaporated is introduced,
- at least one possibility of setting in the evaporation vessel the pressure difference between the interior of the medium and the gas pressure above the medium (setting of the pressure),
- at least one way of heating the medium to a process temperature (setting the temperature),
- most often a way to stir the medium during evaporation,
- necessarily a possibility to carry off the vapor produced during the evaporation from the place of origin,
- - In an area where there is the possibility to cool this steam for the purpose of condensation and
- - to capture the resulting distillate as a product of evaporation,
Obwohl es an sich unerheblich ist, welche Verdampfungsgefäße genutzt werden (natürlich bestimmen Zielmengen die Größen der Gefäße), können hier als Verdampfungsgefäße gesehen werden:
- - der Rotationskolben eines Rotationsverdampfers oder
- - ein Erlenmeyerkolben oder ein Becherglas (mit geeignetem Deckel) auf einem Magnetrührer oder
- - ein Topf (mit geeigneten Deckel) auf einer Herdstelle.
- - The rotary piston of a rotary evaporator or
- - an Erlenmeyer flask or a beaker (with a suitable lid) on a magnetic stirrer or
- - a pot (with a suitable lid) on a stove.
Unter anderen betrifft die Erfindung also auch Rotationsverdampfer, mit einem drehbar z.B. an einem Stativelement aufgehängten Rotations-Verdampfungskolben (im Folgenden nur Rotationskolben), der durch einen Motorantrieb in rotierende Bewegung versetzt werden kann und der auf dem Stand der Technik in ein Heizbad eintaucht. Durch das erwärmte Heizbad wird die Temperatur des Mediums auf die jeweils benötigte Prozesstemperatur eingestellt.Among other things, the invention therefore also relates to rotary evaporators with a rotatable, e.g. on a tripod element suspended rotary evaporating flask (hereinafter only rotary piston), which can be set by a motor drive in rotating motion and immersed in the prior art in a heating bath. Due to the heated heating bath, the temperature of the medium is set to the required process temperature.
Daher wird die Erfindung zwar im Wesentlichen (i.W.) am Beispiel der Konstruktion eines Rotationsverdampfers beschrieben, ist aber nicht auf Rotationsverdampfer beschränkt.Therefore, while the invention is described essentially (i.W.) using the example of the construction of a rotary evaporator, it is not limited to rotary evaporators.
Über der Flüssigkeit im Rotationskolben wird zur Prozesssteuerung i.a. zudem ein Unterdruck (der als Vakuum bezeichnet wird) hergestellt, der den Verdampfungsparameter „Druck“ für den Verdampfungsprozess geeignet vorgibt, der aber zugleich auch für den Abtransport des entstehenden Dampf aus dem Verdampfungsbereich des Rotationskolbens verantwortlich ist. Je niedriger dieser Druck ist, desto eher verdampft zwar eine Flüssigkeit, der Druck muss hier aber so eingestellt sein, dass nicht zugleich auch alle anderen im Lösungsgemisch enthaltenen Flüssigkeitskomponenten mitverdampfen.Above the liquid in the rotary piston i.a. In addition, a negative pressure (which is referred to as vacuum) is produced, which specifies the evaporation parameter "pressure" suitable for the evaporation process, but at the same time also responsible for the removal of the resulting vapor from the evaporation region of the rotary piston. The lower this pressure, the sooner a liquid evaporates, but the pressure must be set so that not all the other liquid components contained in the solution mixture evaporate at the same time.
Für die Einstellung des Unterdrucks muss allerdings der gesamte, mit dem Rotationskolben verbundene Raumbereich durch eine Vakuumpumpe bis zum gewünschten Unterdruckwert leergepumpt werden. Dieser Vakuumbereich ist relativ groß und umfasst i.W. den Raum-Anteil im Rotationskolben, der nicht vom zu verdampfenden Medium in Anspruch genommen wird, den Dampfdurchleitungsbereich, den gesamten, im Stand der Technik hoch aufragenden Kühlerbereich und den Raumbereich, in dem das Destillat/Kondensat gesammelt wird. Dafür muss i.a. eine effektive Vakuumpumpe mit einer geeigneten Steuerung bereitgestellt werden, erfordert also einen nicht unerheblichen Aufwand.In order to set the negative pressure, however, the entire volume area connected to the rotary piston must be pumped out by a vacuum pump to the desired negative pressure value. This vacuum area is relatively large and includes i.W. the proportion of space in the rotary flask, which is not occupied by the medium to be evaporated, the steam transmission area, the entire, in the prior art towering radiator area and the space area in which the distillate / condensate is collected. I.a. an effective vacuum pump can be provided with a suitable control, so requires a considerable effort.
Durch das von der Vakuumpumpe erzeugte Druckgefälle wird auch der Dampf aus dem Verdampfungsbereich in Richtung eines Abkühlbereich mit einer geeigneten Kühlvorrichtung transportiert, wo auch eine Einrichtung zum Auffangen des Destillats vorgesehen ist. Auf dem Stand der Technik ist diese Kühlvorrichtung i.a. eine Kühlschlange in Form eines spiralartig aufgewickelten Rohres (Spule), durch das ein Kühlmittel geleitet wird.Due to the pressure gradient generated by the vacuum pump and the vapor from the evaporation area in the direction of a cooling area transported with a suitable cooling device, where a means for collecting the distillate is provided. In the prior art, this cooling device is generally a cooling coil in the form of a spirally wound tube (coil), through which a coolant is passed.
Bei einem Verdampfungsprozess bestimmt im Wesentlichen die Parameterkombination „Druck oberhalb der Flüssigkeit“ in Bezug auf „Druck im Flüssigkeitsgemisch“ und die unmittelbar an der Flüssigkeitsoberfläche (also am Ort des physikalischen Geschehens) vorliegende Temperatur den Verdampfungsprozess und auch dessen Effizienz; ist aber i.a. immer nur als Prozessparameter-Paar (P, T) gegeben und prozessbestimmend. Ein mit einer technischen Anordnung erreichbarer Trennerfolg ist für bestimmte Trennungsaufgaben daher nur mit geeigneten (P, T-) Parameterpaaren gegeben. Die dazu einzustellenden Parameter sind Erfahrungswerte, die zum Prozesswissen gehören; physikalisch-chemisches Wissen ist mindestens hilfreich; die Parameter und Koeffizienten, die den Prozess bestimmen können, können i.a. Tabellenwerken (z.B. Dortmunder Datenbank) entnommen werden.In an evaporation process, the parameter combination "pressure above the liquid" with respect to "pressure in the liquid mixture" and the temperature directly at the liquid surface (ie at the location of the physical event) essentially determine the evaporation process and also its efficiency; but i.a. always given only as a process parameter pair (P, T) and determining the process. An achievable with a technical arrangement separation success is therefore given for certain separation tasks only with appropriate (P, T) parameter pairs. The parameters to be set are empirical values that belong to process knowledge; Physicochemical knowledge is at least helpful; the parameters and coefficients that can determine the process may i.a. Tables (e.g., Dortmunder database).
An der Oberfläche eines Mediums erfolgt auch bei tiefen Temperaturen und bei einem hohen Umgebungs-Luftdruck eine Verdampfung und aus dem entstandenen Dampf geht auch immer ein Teil wieder zurück in die Flüssigkeitsphase. Das Verhältnis dieser beiden gleichzeitig und gegenläufig ablaufenden Vorgänge bestimmt in Verbindung mit der Geschwindigkeit des An- und Abtransports letztendlich auch die Verdampfungsmenge, d.h. den Verdampfungserfolg. Bei einer jeweils gegebenen Temperatur bestimmt das Verhältnis zwischen dem Druck im Medium unter der Oberfläche und dem Druck im Dampf über dieser Oberfläche den Verdampfungserfolg, d.h. wieviel Material aus der flüssigen in die dampfförmige Phase übergeht, aber auch umgekehrt, wieviel Dampf wieder zurück in die flüssige Phase übergeht. Das gilt für jede der im Lösungsgemisch enthaltenen Komponente, für jede aber mit einer anderen Geschwindigkeit und Gleichgewichtslage. Dampf aus einer technisch durchgeführten Verdampfung, wird daher auch nie ganz frei von anderen Komponenten aus dem Flüssigkeitsgemisch sein. Aber bei einer gegebenen Temperatur und bei einem gegebenen Druck (beides als Prozessparameter eingestellt) erfolgt das bei einem Gleichgewichtspunkt, der für jede Komponente im Medium jeweils anders liegt.Evaporation also takes place at the surface of a medium even at low temperatures and at a high ambient air pressure, and a portion of the resulting vapor always goes back into the liquid phase. The ratio of these two simultaneous and countercurrent operations, in conjunction with the rate of arrival and departure, ultimately also determines the amount of evaporation, i. the evaporation success. At a particular given temperature, the ratio between the pressure in the subsurface medium and the pressure in the vapor above that surface determines the evaporation success, i. How much material changes from the liquid phase to the vapor phase, but also how much steam returns to the liquid phase. This applies to each of the components contained in the solution mixture, but each with a different speed and equilibrium position. Steam from a technically carried out evaporation, therefore, will never be completely free from other components of the liquid mixture. But at a given temperature and at a given pressure (both set as a process parameter), this is done at an equilibrium point that is different for each component in the medium.
Dieser Umstand ist Grund dafür, dass das nach der Kühlung sich ergebende Destillat bzw. Kondensat, das im Vakuumbereich entsteht und der Schwerkraft folgend nach unten in ein Destillatgefäß abtropft, auch wieder rückverdampfen kann, wofür im Stand der Technik recht aufwendige Gegenmaßnahmen beschrieben sind.This circumstance is the reason why the distillate or condensate resulting after cooling, which arises in the vacuum region and drips downwards by gravity into a distillate vessel, can also re-evaporate, for which very complex countermeasures have been described in the prior art.
Wenn an einer Flüssigkeitsoberfläche eine Komponente verdampft, wird sich dadurch direkt an dieser Oberfläche sowohl das Gemisch bzw. die Gemisch-Konzentration, als auch die Temperatur (durch Verdampfungskühlung) und der Druck (durch Gas/Dampfentstehung) verändern. Diese Änderungen einzelner Komponenten und Parameter wirken sich auf den Verdampfungsprozess selbst auch wieder aus. Die Konzentration der am leichtesten verdampfenden Komponente kann direkt an der Oberfläche des Mediums eine geringfügig andere (durch Verdampfung geringere) sein, als etwas tiefer im Inneren des Mediums. Daher muss i.a. ein Stofftransport (z.B. Diffusion, Mischen, Rühren, usw.) das an der Oberfläche liegende Material durch Material aus dem Inneren der Flüssigkeit mit dem dort noch ursprünglichen Mischverhältnis ersetzen.If a component evaporates on a liquid surface, this will change both the mixture or the mixture concentration, as well as the temperature (by evaporative cooling) and the pressure (by gas / vapor formation) directly at this surface. These changes of individual components and parameters affect the evaporation process itself again. The concentration of the most easily evaporating component may be slightly different (lower by evaporation) directly at the surface of the medium than slightly deeper inside the medium. Therefore i.a. mass transport (e.g., diffusion, mixing, stirring, etc.) replace the surface material with material from the interior of the liquid having the original mixing ratio there.
Hier hat ein Rotationsverdampfer den Vorteil, dass durch die Rotation des Kolbens ständig ein Stofftransport bzw. -Austausch erfolgt, zumindest wird das Medium an der Oberfläche recht schnell durch Medium aus dem Inneren ersetzt.Here, a rotary evaporator has the advantage that a mass transport or exchange is always carried out by the rotation of the piston, at least the medium is replaced at the surface quite quickly by medium from the inside.
Bei einem Rotationsverdampfer bildet sich durch Adhäsion ein Flüssigkeitsfilm am Glas der Kolbeninnenoberfläche oberhalb des darin liegenden zu verdampfenden Mediums aus, der durch die Rotationsbewegung immer wieder erneuert und nachgeführt wird. Dieser Flüssigkeitsfilm wird an der (oberen) Glaswand zusätzlich verdampft, was den Verdampfungsprozess positiv unterstützen kann. Das heißt, ein (rotierender) Rotationskolben hat den Vorteil, dass er sowohl einen schnellen Austausch bzw. eine gute Durchmischung von Oberflächenmaterial und innerem Material erreicht, als auch eine größere Oberfläche für die Verdampfung aufweist.In the case of a rotary evaporator, a liquid film forms on the glass of the piston inner surface by adhesion above the medium to be vaporized therein, which is renewed and updated over and over again by the rotational movement. This liquid film is additionally vaporized on the (upper) glass wall, which can positively support the evaporation process. That is, a (rotating) rotary piston has the advantage that it achieves both a rapid exchange or thorough mixing of surface material and inner material, as well as a larger surface for the evaporation.
Ein Austausch bzw. eine gute Durchmischung von Oberflächenmaterial und innerem Material kann allerdings auch durch andere Rührmechanismen erreicht werden.However, an exchange or thorough mixing of surface material and inner material can also be achieved by other stirring mechanisms.
Viele Parameter bestimmen den Erfolg einer Trennungsaufgabe und können entscheidend das Ergebnis einer mit einer Apparatur durchgeführten Trennung bestimmen, die oftmals nur eine mehr oder weniger große Konzentrationsverschiebung erreicht. Die Kenntnis der Auswirkung von bestimmten Parametern und deren Nutzung in einer Anordnung macht daher u.U. erst die Eigenschaften und auch den technologischen Vorsprung von Verdampfer-Anordnungen aus, wird aber eher durch Erfahrungswerte, als durch eindeutig vorgegebene und genau definierte Tabellenwerte bestimmt.Many parameters determine the success of a separation task and can decisively determine the result of a separation performed with an apparatus, which often only reaches a more or less large concentration shift. The knowledge of the effect of certain parameters and their use in an arrangement may therefore make u.U. First, the properties and the technological advantage of evaporator arrangements, but rather by experience, as determined by clearly defined and well-defined table values.
Es ist z.B. bei einem Rotationsverdampfer gar nicht genau definiert, wie groß das Verhältnis der „Verdampfung direkt an der Oberfläche der Flüssigkeit des zu verdampfenden Mediums im Rotationskolben“ zur „Verdampfung durch den Flüssigkeitsfilm an der Oberfläche der Kolben-Innenwand oberhalb des zu verdampfenden Mediums“ in einem laufenden Prozess wirklich ist. Dieses Verhältnis bestimmt u.a. das Verdampfungsergebnis und die erreichbare Trenngüte mit, ist aber nicht nur von einfachen geometrischen Zusammenhängen geprägt: Die Fläche der Flüssigkeitsoberfläche im Rotationskolben ist näherungsweise eine Kreisfläche FKreis= πr2, die Fläche der Glaswand-Innenseite über dieser Flüssigkeitsoberfläche ist ungefähr (näherungsweise) eine Halbkugel mit der halben Oberfläche der Kugel FKugel=4πr2. Man könnte also davon ausgehen, dass bei einem Rotationsverdampfer, bei dem so eine etwa 1,7-fach größere Oberfläche als beim Becherglas vorliegt, der Verdampfungserfolg entsprechend größer ist. Dem ist aber nicht so: Die Oberfläche der Kolben-Innenwand oberhalb des zu verdampfenden Mediums weist z.B. keine konstante Temperatur auf, weil durch die Verdampfungskühlung die Temperatur der Glasinnenwand-Oberfläche in Rotationsrichtung auf dem Umfang des Glaskolbens abnimmt; je nach Größe der Wärmekapazität und der Wärmeleitfähigkeit des Glases mehr oder weniger. Zudem ist die benetzte Fläche von der Füllmenge abhängig, die sich mit der Zeit (verdampfungsbedingt) und durch Verdampfung selbst ändert.For example, in a rotary evaporator it is not exactly defined how large the ratio of the "evaporation directly on the surface of the liquid to be evaporated in the medium Rotary piston "for" evaporation through the liquid film on the surface of the piston inner wall above the medium to be evaporated "in a running process is really. This ratio determines, inter alia, the evaporation result and the achievable separation quality, but is not only characterized by simple geometric relationships: the surface of the liquid surface in the rotary piston is approximately a circular area F circle = πr 2 , the surface of the inside of the glass wall above this liquid surface is approximately ( approximately) a hemisphere with half the surface of the ball F ball = 4πr 2 . One could therefore assume that in a rotary evaporator, in which there is an approximately 1.7 times larger surface than the beaker, the evaporation success is correspondingly greater. However, this is not the case: the surface of the piston inner wall above the medium to be evaporated, for example, has no constant temperature, because the temperature of the glass inner wall surface decreases in the direction of rotation on the circumference of the glass bulb by the evaporative cooling; depending on the size of the heat capacity and the thermal conductivity of the glass more or less. In addition, the wetted surface is dependent on the filling quantity, which changes with time (evaporation-related) and by evaporation itself.
Auch der Bereich bzw. Raum, in dem auf dem Stand der Technik die Kühlung abläuft, ist voller „Unübersichtlichkeiten“. Ein stärkeres Vakuum erzeugt einen stärkeren Absaugdruck für den im Verdampfungsraum entstehenden Dampf ,der dadurch schneller im Abkühlraum höher steigt, wodurch mehr Dampf kondensiert und als Destillat abtropft, was dem Ziel (mehr Destillat) entgegenkommt. Andererseits darf die Quelle des Vakuums (eine „Vakuumpumpe“) nur eine eingeschränkt eingestellte oder geregelte Leistung erbringen, weil
- - der Dampf nicht in die Vakuumpumpe gelangen darf und
- - zudem eine Rückverdampfung des Destillats vermieden werden muss.
- - the steam must not enter the vacuum pump and
- - In addition, a re-evaporation of the distillate must be avoided.
Daher wird bezüglich der jeweiligen Kühlanordnung eine „Zufuhr“ des Vakuums möglichst weit oben am Kühlturm angeschlossen; man versucht zudem stets durch geeignete Einstellung der Leistung der Vakuumpumpe den oberen Kühlungsbereich bzw. den oberen Bereich der Kühlschlange frei von Dampf zu halten. Den Dampf nur auf eine definierte Höhe aufsteigen zu lassen, ist unter den gegebenen Bedingungen mit vielen variablen Parametern aber eine schwierige Aufgabe. Je größer der Raumbereich ist, in dem ein definierter Unterdruck hergestellt werden soll, desto schwieriger wird es i.a. auch, dies mit einer Druckregelung durch die Vakuumpumpe zu erreichen.Therefore, with regard to the respective cooling arrangement, a "supply" of the vacuum is connected as far as possible at the top of the cooling tower; one always tries to keep the upper cooling area or the upper area of the cooling coil free of steam by suitably setting the power of the vacuum pump. However, allowing the vapor to rise only to a defined altitude is a difficult task under the given conditions with many variable parameters. The larger the space in which a defined negative pressure is to be produced, the more difficult it becomes i.a. also to achieve this with a pressure control by the vacuum pump.
In einem konstant ablaufenden Prozess laufen etliche physikalische Vorgänge zeitlich parallel ab, die nicht einzeln betrachtet werden können, weil sich Vorgänge, und deren Einwirkung auf diverse Parameter, gegenseitig beeinflussen, sich verstärken und behindern können und sich sogar (durch negative Rückkopplung) selbst stabilisieren können.In a constantly proceeding process, a number of physical processes run parallel in time, which can not be considered individually, because processes, and their influence on various parameters, mutually influence each other, can amplify and hinder each other and even stabilize themselves (through negative feedback) ,
Im Verdampfungsraum, der selbst Teil des Vakuumraums ist, gilt z.B.:
- - Wenn Flüssigkeit verdampft, wird dazu Energie benötigt, die der Temperatur der Flüssigkeit entzogen wird; Verdampfung bewirkt also eine Abkühlung unmittelbar an der Flüssigkeitsoberfläche, was den Verdampfungsprozess verlangsamt, und
- - wenn eine Flüssigkeit verdampft, entsteht unmittelbar über der Flüssigkeitsoberfläche Dampf. Die Dichte des entstehenden Dampfes (Dampfmenge, Konzentration, Dichte) wird unmittelbar über der Flüssigkeitsoberfläche am größten sein, der (Gas-) Druck wird also unmittelbar über der Flüssigkeitsoberfläche größer sein. Die Verdampfung bewirkt somit auch über eine Druckerhöhung die Verlangsamung der Verdampfung; die Geschwindigkeit, mit der entstehender Dampf (durch das eingestellte Vakuum) abtransportiert wird, ist hier mit entscheidend.
- - When liquid evaporates, this energy is needed, which is removed from the temperature of the liquid; Evaporation thus causes a cooling directly on the liquid surface, which slows down the evaporation process, and
- - When a liquid evaporates, steam is generated immediately above the surface of the liquid. The density of the resulting vapor (amount of vapor, concentration, density) will be greatest immediately above the liquid surface, so the (gas) pressure will be greater immediately above the liquid surface. The evaporation thus causes a pressure increase, the slowing down of the evaporation; the speed at which the resulting steam is removed (by the set vacuum) is decisive here.
Damit werden Parameter auch sekundär wirksam, wie z.B. die Unterdruckeinstellung, die den Druck und den Druckgradienten über der Flüssigkeitsoberfläche bestimmen soll, aber damit auch den Abtransport des Dampfes mitbestimmt.Thus, parameters also become secondary, e.g. the vacuum setting, which is intended to determine the pressure and the pressure gradient across the surface of the liquid, but also determines the removal of the vapor.
Die „Temperaturzufuhr“, d.h. ein Wärmeenergietransport, wird bei einem Rotationskolben durch die jeweilige Heizleistung, durch die Eintauchtiefe des Rotationskolbens in das Heizbad bzw. durch die Heizbadhöhe und den Eintauchwinkel und auch von der Einfüllhöhe des Mediums im Rotationskolben bestimmt, wird z.B. sogar von der (variierenden) Länge des aktiven Kühlbereichs an der Kühlschlange (der Dampfaufstiegshöhe) mitbestimmt, die selbst wieder vom Gasdruck abhängt, vom durch das Innere der Kühlschlage geleiteten Kühlmittel, von dessen Temperatur, vom Wärmeübergangswiderstand vom Dampf bis auf das Kühlmittel usw.The "temperature supply", i. a heat energy transport, is determined in a rotary piston by the respective heating power, by the immersion depth of the rotary piston in the heating bath or by Heizbadhöhe and the plunge angle and also by the filling height of the medium in the rotary flask, e.g. even on the (varying) length of the active cooling area on the cooling coil (the steam rising height), which itself depends on the gas pressure, from the coolant passing through the inside of the cooling coil, from its temperature, from the heat transfer resistance from the steam to the coolant etc.
In Anordnungen auf dem Stand der Technik bleiben Prozessparameter (nicht nur in einer Anordnung wie einem Rotationsverdampfer) über einen längeren Zeitraum stabil, wenn der gesamte Verdampfungsprozess mit anschließender Kühlung insgesamt konstant gleichmäßig abläuft.In prior art arrangements, process parameters (not just in an assembly such as a rotary evaporator) remain stable over an extended period of time when the overall evaporation process, with subsequent cooling, is consistently uniform throughout.
Bei geeigneter Auslegung der Verdampfungsanordnung, kann Mediumzufuhr, Wärmezufuhr, die Kühlung im Kühlbereich und die (Unter-)Druck-Erzeugung (im Stand der Technik i.a. durch Absaugung von Luft oder Gas) durch konstant gehaltene Mengenflüsse für stabile Bedingungen über der Oberfläche des zu verdampfenden Medium sorgen.With a suitable design of the evaporation arrangement, medium supply, heat, the cooling in the cooling area and the (under) pressure generation (in the state of the art generally by suction of air or gas) by constantly held flow rates for stable conditions over the surface of the medium to be evaporated.
Das im Stand der Technik zu findende grundsätzliche Vorgehen kann man beispielhaft für einen Rotationsverdampfer so zusammenfassen:
- - Weit entfernt von der Flüssigkeitsoberfläche (dem eigentlichen Prozessort) stellt eine Wärmequelle Wärmeenergie bereit, so dass entlang eines Weges von der Wärmequelle bis zur Oberfläche des Mediums ein Temperaturgefälle und ein Wärmefluss entsteht, wodurch an der Oberfläche des Mediums eine definierte Prozesstemperatur entsteht, die bei stabil laufendem Prozess zumindest in etwa stabil aufrechterhalten werden kann.
- - Weit entfernt von der Flüssigkeitsoberfläche (dem eigentlichen Prozessort) stellt eine Pumpe einen Unterdruck her, so dass entlang eines Weges (von der Oberfläche des Mediums bis zur Vakuumquelle) ein Druckgefälle entsteht, wodurch über der Oberfläche des Mediums ein definierter Prozessdruck erzeugt wird, der bei stabil laufendem Prozess zumindest in etwa stabil aufrechterhalten werden kann.
- - Eine Einstellung von Sollwerten an der Vakuumpumpe und an der Heizungsregelung erfolgt eher aus der Erfahrung heraus, weniger an Hand definierter „Tabellenwerte“; man dreht einfach solange an den Maschinen-Einstellungen herum, bis „es stimmt“. Irgendwann werden stabile Prozessbedingungen für einen stabil ablaufenden Verdampfungsprozess erreicht und die an einer konkreten Verdampfungsanordnung benötigten Einstellungen gehen in das Prozesswissen des jeweiligen Betriebs ein.
- - Damit sowohl der Druck über der Oberfläche, als auch die Temperatur im Medium sich nicht aus einem laufenden Prozessgeschehen herausbewegen, darf bei stabilen sonstigen Parametern (wie z.B. die Rotations-Drehzahl des Rotationskolbens) i.a. nur ein stetiger und i.a. genau definierter (Mittel-)Wert an Verdampfung eingestellt sein.
- - Die jeweilige Kühlung des erzeugten, dem Druckgefälle des Vakuums folgenden, in den Kühlbereich aufsteigenden Dampfs muss so effizient sein, dass dieser Dampf nicht ganz im Kühlturm aufsteigen kann und in die Vakuumpumpe gelangt.
- - Far from the liquid surface (the actual process location), a heat source provides heat energy, so that along a path from the heat source to the surface of the medium, a temperature gradient and heat flow is created, creating a defined process temperature at the surface of the medium, the stable running process can be maintained at least approximately stable.
- - Far from the liquid surface (the actual process location), a pump produces a negative pressure, so that along a path (from the surface of the medium to the vacuum source) creates a pressure gradient, whereby over the surface of the medium, a defined process pressure is generated can be maintained at least approximately stable at stable running process.
- - An adjustment of set points on the vacuum pump and on the heating control is rather based on experience, less on hand defined "table values"; Just turn around the machine settings until it's "right". At some point, stable process conditions for a stable evaporation process are achieved and the settings required for a specific evaporation arrangement are included in the process knowledge of the respective operation.
- - In order to ensure that both the pressure above the surface and the temperature in the medium do not move out of an ongoing process, with stable other parameters (such as the rotational speed of the rotary piston) generally only a continuous and generally well-defined (middle) Value to be set to evaporation.
- - The respective cooling of the generated, the pressure drop of the vacuum following, rising into the cooling area steam must be so efficient that this steam can not rise completely in the cooling tower and enters the vacuum pump.
Ein stabil laufender Verdampfungsprozess befindet sich in einem Fließgleichgewicht, in dem auch andere variable Parameter stationär stabil einzuhalten sind, wie z.B.
- - die Füllhöhe des Mediums im Rotationskolben
- - die Rotationsgeschwindigkeit des Rotationskolbens,
- - die Eintauchtiefe des Rotationskolbens in das Heizbad (bzw. die Heizbadhöhe),
- - die Vakuumerzeugung und die Stärke des Unterdrucks,
- - The filling level of the medium in the rotary flask
- the rotational speed of the rotary piston,
- the immersion depth of the rotary flask in the heating bath (or heating bath height),
- - the vacuum generation and the strength of the negative pressure,
Die für den Zielprozess für die Verdampfung einzustellenden Prozessparameter sind bekannt und können mit geeigneten technischen Anordnungen manipuliert, z.B. eingestellt, gesteuert und/oder geregelt werden. Der entstehende Dampf muss möglichst schnell, aber in einem konstanten Mengenstrom abtransportiert werden. Auch die Kühlung und Vakuumerzeugung muss konstant ablaufen.The process parameters to be set for the target evaporation process are known and can be manipulated with suitable engineering arrangements, e.g. adjusted, controlled and / or regulated. The resulting steam must be removed as quickly as possible, but at a constant flow rate. The cooling and vacuum generation must also be constant.
Bezüglich des physikalischen Geschehens kann man mehrere mengenartige Flüsse oder Flusskreisläufe in die Betrachtungen einbeziehen, die sich alle in einem Prozessgleichgewicht befinden müssen. Das gilt
- - zum einen für die Temperatur bzw. Wärmeenergie (als erste mengenartige Größe),
- - zum anderen für den Abtransport von Dampf von den Innenkolben-Oberflächen weg durch das eingestellte Vakuum (dieser Abtransport erfolgt passiv und ist u.U. ausgesprochen langsam)
- - und auch für den Kühlbereich, der zu optimieren ist.
- - on the one hand for the temperature or heat energy (as a first quantity-like quantity),
- - on the other hand for the removal of steam from the inner piston surfaces away by the set vacuum (this removal is passive and may be extremely slow)
- - And also for the cooling area, which has to be optimized.
Bei einem multifaktoriellen Prozessgeschehen ist es i.a. schwer, durch Regelung und/oder Steuern von nur einem oder von zwei einzelnen Parameter den Prozess stabil einstellen zu wollen und/oder überhaupt nur eine einigermaßen optimale Einstellung erreichen zu wollen. Zudem ändern sich mit dem Prozesserfolg ja i.a. auch die Rahmenbedingungen.In a multifactorial process, it is i.a. difficult to want to stably adjust the process by regulation and / or control of only one or two individual parameters and / or to achieve only a reasonably optimal setting at all. In addition, i.a. also the framework conditions.
Ein Verdampfungserfolg wird sich zwar so gut wie immer einstellen; dass dieser aber optimal ist, kann selten erreicht oder nachgewiesen werden. Egal wie z.B. die Temperatur und der Druck (Vakuum) eingestellt sein wird, die leichtest flüchtige Komponente aus einem Lösungsgemisch wird im Destillat fast immer am stärksten vertreten sein und der Rest im Verdampfungskolben wird die flüchtigste Komponente am wenigsten enthalten. Erst eine begleitende chemische Analyse kann zeigen, wie effektiv der jeweilige Verdampfungserfolg ist und wie er zu bewerten ist.An evaporation success will be as good as always; but that this is optimal, can rarely be achieved or proven. No matter how the temperature and pressure (vacuum) will be adjusted, the most volatile component of a mixed solution will almost always be most abundant in the distillate and the remainder in the evaporator flask will be least likely to contain the most volatile component. Only an accompanying chemical analysis can show how effective the respective evaporation success is and how it is to be evaluated.
Das gilt nicht nur für die speziellen Konstruktionen der Rotationsverdampfer, sondern auch für alle anderen Verfahren die zum Verdampfen von Medien genutzt werden und für alle Formen von technischen Verdampfer-Anordnungen. Verdampfungsanordnungen, die mit einfachen Labormitteln zusammengestellt werden können, sind in diesem Sinne gar nicht so uneffektiv. This applies not only to the special constructions of rotary evaporators, but also to all other processes used to evaporate media and to all forms of technical evaporator arrangements. Evaporation arrangements that can be assembled with simple laboratory means are not so ineffective in this sense.
Vor diesem gegebenen technischen Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren für eine möglichst einfache Prozesssteuerung zur Verdampfung von Medien zum Zwecke von Komponententrennungen anzugeben und hier insbesondere, diese durch eine verbesserte Auslegung des Kühlbereichs einer technischen Verdampfungsanordnung zu erreichen und die Verdampfungsleistung damit zu verbessern.Against this background, it is an object of the invention to provide a method for the simplest possible process control for the evaporation of media for the purpose of component separations and in particular to achieve this by an improved design of the cooling area of a technical evaporation arrangement and to improve the evaporation performance.
Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Details des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved with the characterizing details of claim 1.
Insbesondere dadurch, dass nicht (wie im Stand der Technik üblich) der dem Druckgefälle des Vakuums folgende, im Kühlbereich (dem Kühlturm) aufsteigende Dampf bei bestehendem Unterdruck durch eine Kühlschlange mit Kühlmedium gekühlt wird, sondern der abgesaugte Dampf im Inneren einer (konstruktiv vergleichbaren) Kühlschlange unter zunehmender Verdichtung transportiert und gekühlt wird, wobei zur Kühlung ein Kühlmittel die Kühlschlange von außen umspült.In particular the fact that not (as usual in the prior art) of the pressure gradient of the vacuum following, in the cooling area (the cooling tower) rising steam is cooled at existing negative pressure by a cooling coil with cooling medium, but the extracted steam inside a (structurally comparable) Cooling coil is transported under increasing compression and cooled, wherein for cooling a coolant flows around the cooling coil from the outside.
Das Verfahren soll anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert werden. Dazu zeigt die
Zunächst weicht eine erfindungsgemäße Verdampfungsanordnung (vgl.
Damit besteht nicht mehr die Notwendigkeit, den Prozessdruck allein durch die Einstellung oder Regelung einer Vakuumpumpe auf einem definierten Wert halten zu müssen.This eliminates the need to maintain the process pressure at a defined value solely by setting or controlling a vacuum pump.
Dabei ist bemerkenswert, dass die Volumina, die - wohlbemerkt für eine Prozessregelung im Verdampfungsgefäß - im zweiten und im dritten Gefäß einzubeziehen sind, sehr viel kleiner sind, als das Volumen über dem Flüssigkeitsspiegel im Verdampfungsgefäß (die Volumina am Prozessort können fast beliebig groß sein). Eine Regelung des Drucks kleiner Volumina ist so schnell und effizient und auch mit geringem Aufwand möglich, eine Prozessregelung ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sehr viel schneller, als mit einer Vakuumregelung über der zu verdampfenden Flüssigkeit im Stand der Technik erreicht werden kann.It is noteworthy that the volumes, which, mind you, are to be included in the second and third vessels for a process control in the evaporation vessel are much smaller than the volume above the liquid level in the evaporation vessel (the volumes at the process location can be almost arbitrarily large). , A regulation of the pressure of small volumes is possible so quickly and efficiently and also with little effort, a process control is much faster with the inventive method than can be achieved with a vacuum control over the liquid to be evaporated in the prior art.
Dabei ist besonders bemerkenswert, dass eine solche Verdampfung auch mit Anordnungen durchführbar ist, die nicht einmal speziell dafür ausgelegt sein müssen (wie das z.B. mit einem Rotations-Verdampfer gegeben ist, der ja speziell dafür ausgelegt ist). Auch mit allgemein vorliegenden Gefäßen, wie z.B. einem Kochtopf auf einer Kochstelle, einem Erlenmeyerkolben oder Bechergefäß auf einem beheizbaren Magnetrührer oder auch mit ganz großen Gefäßen, also praktisch mit Gefäßen vom Kleinlaborbereich oder der Küche bis zu Anordnungen im Großindustriellen Maßstab (z.B. Reaktoren), kann das Verfahren sinnvoll eingesetzt und genutzt werden.It is particularly noteworthy that such vaporization can also be carried out with arrangements that do not even have to be specifically designed for it (as is the case, for example, with a rotary evaporator, which is specially designed for this purpose). Also with commonly available vessels, such as e.g. a saucepan on a hotplate, an Erlenmeyer flask or beaker on a heatable magnetic stirrer or even with very large vessels, that is, practical vessels from the small laboratory or kitchen to large scale industry (e.g., reactors) arrangements, the method can be usefully employed and utilized.
Bei derart miteinander verkoppelten Gefäßen (
Diese Gesetzmäßigkeit ist unabhängig davon, wie der Weg, den das Medium eventuell nehmen muss, ausgestaltet wird (vgl.
Jedes der Gefäße (
Wie die Druckregelung bei einer Verdampfungsanordnung letztendlich aber wirklich erfolgt, kann hier unerheblich sein. Das kann auf einem beliebig anderen Weg ebenso erfolgen und auch dem bisherigen Stand der Technik entsprechen, z.B. mittels einer Druckregelung über dem Raum (
Hier kann die Druckeinstellung also als gegeben angenommen werden, die dafür notwendigen Komponenten sollen aber im Kontext anhand der
Die Verdampfung findet im Rotationskolben im Verdampfungsraum (
Der Dampfraum (
- - die „Vakuumerzeugungszone (
30 )“, die i.a. oberhalb eines Dampfabkühlungsbereichs (31 ) liegt, - - der Destillat-Sammelbereich (
40 ), der unterhalb des Dampfabkühlungsbereichs (31 ) liegt, - - der Bereich der Dampfdurchführung mit
- - einem Raum bis zu Anschlussvorrichtungen (
39 ) für Zuleitungen von Außen, - - und der Dampfraum (
50 ).
- - the "vacuum generation zone (
30 ), Which are generally above a steam cooling range (31 ) lies, - - the distillate collection area (
40 ) located below the steam cooling zone (31 ) lies, - - The area of the steam passage with
- - a room up to connecting devices (
39 ) for supply lines from outside, - - and the steam room (
50 ).
Zum Vakuumbereich (
Die beiden Gefäße (
Die Höhe des Rotationskolbens (
Dabei können sich auch Teile der Medium-Zu- oder Ableitung in der Höhe
Einmal in Betrieb genommen, fließt in der mit
Damit das obere Gefäß (
Um den Verdampfungsprozess vom Materialkreislauf zumindest kurzfristig abtrennen zu können, können an geeigneten Stellen (
Der Verdampfungsprozess wird prozesstechnisch bei einer eingestellten Druckdifferenz und bei sonst stabilen Parametern, den physikalischen Prozessnotwendigkeiten folgend, bei einer definierten Temperatur des Mediums (
Üblicherweise taucht der Rotationskolben auf dem Stand der Technik in ein Heizbad ein, in dem er - wie oben beschrieben - rotierend durch passiven Wärmetransport über das Glas des Kolbens hinweg erwärmt wird. Diese Form der Heizung des Mediums hat den Nachteil, dass die Temperatureinstellung sehr träge erfolgt. Dadurch, dass neben der anderen Einstellung oder Regelung der Druckdifferenz zwischen oberhalb des Mediums und dem Innerem des Mediums, die Temperatur des Mediums im Verdampfungsgefäß hier dadurch eingestellt bzw. geregelt wird, dass das in das Verdampfungsgefäß hineinlaufende Medium (
Diese Heizung, die bevorzugt als Widerstandsheizung oder als Induktionsheizung ausgelegt ist, wird durch eine Wärmepumpe (nicht dargestellt) unterstützt, die Wärmeenergie vom aus dem Gefäß herauslaufenden Mediums auf das in das Gefäß hineinlaufende Medium transportiert. Damit wird eine geringere Energie zur Erwärmung des Mediums benötigt.This heater, which is preferably designed as resistance heating or as induction heating, is supported by a heat pump (not shown), which transports heat energy from the medium flowing out of the vessel onto the medium flowing into the vessel. This requires less energy to heat the medium.
Mit dieser weitaus schnelleren Möglichkeit der Temperatureinstellung des Mediums entfällt, zusammen mit der effizienten Druckregelung, die Notwendigkeit eine Parametereinstellung vermittels der Vakuumpumpe einrichten zu müssen. Eine einfache Vakuumerzeugung reicht aus und damit wird der Weg frei, auch den Kühlerbereich erfindungsgemäß umzugestalten. With this much faster possibility of adjusting the temperature of the medium, together with the efficient pressure control, there is no need to set up a parameter setting by means of the vacuum pump. A simple generation of vacuum is sufficient, and thus the way is free to redesign the radiator area according to the invention.
Wie oben bereits zur Druckregelung ausgeführt, kann auch die Temperaturregung natürlich beliebig erfolgen; notwendig für die erfindungsgemäße Umgestaltung der Kühlanordnung ist aber, dass die Einstellung der benötigten P,T-Prozess-Parameter nicht mehr voraussetzt, dass dazu der Vakuumbereich auf einen genau eingestellten und genau geregelten Unterdruckwert eingestellt werden muss.As already stated above for pressure control, the temperature excitation can of course be arbitrary; However, it is necessary for the reorganization of the cooling arrangement according to the invention that the setting of the required P, T process parameters no longer requires that the vacuum area must be adjusted to a precisely set and exactly regulated negative pressure value for this purpose.
Obwohl in dieser
Angedeutet ist von einem Rotationsverdampfer ein Rotationskolben (
Der an der Flüssigkeitsoberfläche (
Das Druckgefälle ist im Stand der Technik nicht nur für den Prozessdruck an der Flüssigkeitsoberfläche (
So entsteht im Vakuumbereich (
Eine solche Kühlanordnung ist mit vielen Problemen und Nachteilen belastet:Such a cooling arrangement is burdened with many problems and disadvantages:
Physikalisch ist Wärme eine Bewegung von Atomen und Molekülen. Die physikalische Lehre zeigt dies insbesondere an Modellen mit einem abgegrenzten Volumen, in dem sich ein Gas befindet. Die Bewegung der Gasmoleküle stellt die Wärmeenergie dar, die (bei definiertem Druck) durch die Temperatur angegeben wird.Physically, heat is a movement of atoms and molecules. The physical teaching shows this especially on models with a limited volume in which a gas is located. The movement of the gas molecules represents the heat energy that is given (at a defined pressure) by the temperature.
Wenn in einem abgegrenzten Raumbereich V der Druck p gering ist, weil keine oder wenige Moleküle oder Atome vorhanden sind (weil ein Vakuum vorliegt) dann ist können Wärmetransporte nicht mehr oder zumindest nur noch im geringen Maße stattfinden. Je geringer der Druck p eines Gases in einem gegebenen Volumen V ist, desto geringer ist seine Temperatur T und kann als Gas immer weniger gekühlt werden. Das Kühlen eines Vakuums ist schlichtweg sinnlos.If the pressure p is low in a delimited area of space V, because there are no or few molecules or atoms (because there is a vacuum) then heat transport can no longer take place or at least only to a small extent. The lower the pressure p of a gas in a given volume V, the lower its temperature T and can be less and less cooled as gas. Cooling a vacuum is simply pointless.
Bei Rotationsverdampfern des Stands der Technik wird aber genau das versucht. In dem i.a. nach oben ragenden oder senkrecht stehenden Kühlturm (aus Glas) (
Das Vakuum wird an einem oberen Punkt (
Damit besteht (auch) in diesem Bereich ein (nicht optimaler) mengenartiger Fluss mit gegenläufigen Wirkungsbeziehungen: Der Druckgradient muss einerseits für einen effektiven Dampfabtransport möglichst groß sein, das bedeutet im Kühlturm (
Prozesstechnisch (und auch an sich auch energetisch) wäre es besser, den Abtransport von Dampf aus dem Innenbereich des Rotationskolbens (
Diese Möglichkeit die als eine bevorzugt erste Konstruktion gesehen wird setzt aber durch spezielle Ventilkonstruktionen relativ weitreichende konstruktive Maßnahmen voraus. Daher wird hier neben dieser ersten erfindungsgemäßen Möglichkeit eine zweite erfindungsgemäße Möglichkeit zuerst dargestellt, die gewissermaßen unter Austausch und Umkehrung der Funktionen der Komponenten der Kühlanordnung arbeitet und auch mit den einfachen Mitteln eines Labors realisiert werden kann.However, this possibility, which is considered to be a preferred first construction, requires relatively far-reaching design measures due to special valve designs. Therefore, in addition to this first possibility according to the invention, a second possibility according to the invention is first presented here, which to a certain extent works by exchanging and reversing the functions of the components of the cooling arrangement and can also be realized with the simple means of a laboratory.
Der Vergleich mit
Die Funktionalität der Dampfentstehung und Fortleitung ist in dieser Anordnung der
Die beiden Leitungen (
Auch in dieser Anordnung der
Die Anforderungen an die Konstanz dieses Vakuums sind gering.The requirements for the constancy of this vacuum are low.
Der wesentliche Unterschied zur Kühlanordnung der
Das jeweils verwendete Kühlmittel wird in einem Behälter bzw. einem Vorratsbereich (
Das Vakuum wird wie bisher mittels einer Vakuumpumpe (
Über der Flüssigkeitsoberfläche (
Bedingt durch eine zusätzliche Wärmezufuhr, wie gewohnt durch ein Wasserbad von unten her (nicht dargestellt) oder durch eine direkt in der Medium-Zuleitung (
Bei der so gegebenen bzw. eingestellten Temperatur und unter den so gegebenen bzw. eingestellten Druckverhältnissen, läuft der Verdampfungsprozess wie gewohnt ab, Dampf entsteht und wird in Richtung des fallenden Drucks abtransportiert, durchströmt den Bereich des Motorantriebs (
Durch die fortschreitende Komprimierung durch die enger werdenden Leitungen nimmt mit der Verdichtung des Gases (gemäß der allgemeinen Gasgleichung pV=RT) die Gastemperatur des Dampfes zunächst deutlich zu, was an der Kühlschlange den Wärmeübergang vom Dampf über das Material der Kühlschlange hinweg auf das Kühlmittel erleichtert, was die Kühlung des Dampfes also effizienter macht. Das in einem Kreislauf (
Nachdem der Dampf, nach dem Durchlauf der Kühlschlange inzwischen abgekühlt aber immer noch etwas komprimiert, d.h. unter einem etwas höheren Druck stehend, den Kühlerbereich verlassen hat, trifft dieser Dampf auf eine erfindungsgemäß vorgesehene deutliche Leitungsvergrößerung (
Da hier auch das Vakuum deutlich ausgeprägt sein wird, kann es sinnvoll sein, das Destillat im Auffangbehälter (
Die Dampfströmungsrichtung (
Die Richtung (
Die in
In der Leitung vom Rotationsverdampfer mit der Dampfführung von den Anschlussstellen (
Die Pumpe (
Dampf über die Leitung (
Währenddessen wird in den gegenüberliegenden Zylinderraum, der sich vergrößert und einen dort herrschenden Unterdruck erzeugt, Dampf über das Ventil (
Mit der Rückwärtsbewegung des Kolbens (
Während so permanent Dampf (mit Gas, Luft) aus dem Hohlraum (
Die in dieser Darstellung beibehaltene Dampffluss-Richtung (
Allerdings ist an der Stelle der Dampfexpansion (
Die restlichen Komponenten der Kühlanordnung entsprechen (mit gleichen Bezeichnern) denen der
An dieser Stelle sei noch einmal angemerkt, dass der im bisherigen Stand der Technik als Vakuumbereich genutzte Außenbereich (
Dafür muss der von Kühlmittel durchflossene Bereich aber nicht mehr das ursprünglich für den Dampfaufstieg vorgesehene, große Volumen aufweisen: in einer erfindungsgemäßen Konstruktion genügt es, für diesen Außenraum ein sehr kleines Volumen vorzusehen. Im Prinzip genügt eine zylindrische Koaxial-Konstruktion mit einer Innenleitung (für den Dampf oder das Kühlmittel) und eine darum herum liegende Außenleitung (für das Kühlmittel oder den Dampf). Das von einem Rotationsverdampfer gewohnte Bild mit einer Kühlschlange könnte aber so vertriebsunterstützend beibehalten werden.However, the area through which the coolant flows no longer has to have the large volume originally provided for the vapor rise: in a construction according to the invention, it is sufficient to provide a very small volume for this exterior space. In principle, a cylindrical coaxial design will suffice with an inner pipe (for the steam or the coolant) and an outer pipe (for the coolant or steam) lying around it. However, the usual image of a rotary evaporator with a cooling coil could be maintained so sales support.
Auch die Länge der Kühlschlange kann sehr viel kleiner ausgelegt werden, als das auf dem bisherigen Stand der Technik notwendig gewesen war; im Prinzip genügt dafür eine kurze Strecke eines Kühlrohres, das von Kühlmittel umspült wird, und auch evtl. nur deshalb, um die mit der Expansion am Ende der Kühlstrecke (
Dass das Verdampfungsgefäß (
Bei Nutzung eines Becherglases als Verdampfungsgefäß (mit einem nach oben hin abdichtenden Deckel) auf einem Magnetrührer kann z.B. der Rührmechanismus des Magnetrührers (ein mit einem Magnetantrieb gekoppelter Rührkörper) als Ersatz für die Rotationsbewegung des Rotationskolbens und die Heizung durch die beheizbare Aufstellplatte des Magnetrührers als Ersatz für das Heizbad beim Rotationsverdampfer verwendet werden. Andere Konstruktionen sind denkbar.When using a beaker as an evaporation vessel (with an upwardly sealing lid) on a magnetic stirrer, e.g. the stirring mechanism of the magnetic stirrer (a stirring body coupled to a magnetic drive) is used as a replacement for the rotary movement of the rotary piston and the heating by the heatable mounting plate of the magnetic stirrer as a replacement for the heating bath in a rotary evaporator. Other constructions are conceivable.
Aber eine effiziente Kühlung des bei der Verdampfung entstehenden Dampfs, um ein Kondensat zu erhalten und aufzufangen, ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren als Prinzip effizienter, als auf dem Stand der Technik mit einem Kühlturm mit Vakuum, in dem eine Kühlschlange den aufsteigenden Dampf kühlen soll.However, efficient cooling of vaporization vapor to obtain and collect condensate is more efficient with the process of the invention as a principle than in the prior art vacuum-controlled cooling tower in which a cooling coil is intended to cool the rising vapor.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN113398621A (en) * | 2021-06-22 | 2021-09-17 | 浙江凯德化工有限公司 | Self-control condenser for fractionation and fractionation method thereof |
-
2017
- 2017-09-19 DE DE102017008773.3A patent/DE102017008773A1/en not_active Withdrawn
Non-Patent Citations (2)
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Organikum_S_37_2015 * |
Spinnen_Untersuchung_von_Lösemittelgemischen * |
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CN113398621B (en) * | 2021-06-22 | 2022-03-08 | 浙江凯德化工有限公司 | Self-control condenser for fractionation and fractionation method thereof |
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